PROYECTO FISICA 2

TITULO: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE ARIETE HIDRÁULICO PARA CAPTAR, TRASLADAR Y ELEVAR EL AGUA DEL MANANTIAL LA SHICUANA HACIA UN RESERVORIO UBICADO EN LA PARTE ALTA DE LA COMUNIDAD CHAMIS BAJO – CAJAMARCA”

INDICE

1. INTRODUCCION 2. OBJETIVOS 3. HIPOTESIS4. VARIABLES 5. JUSTIFICACION 6. MARCO TEORICO 7. TECNICAS, PROCEDIMIENTOS E INSTRUMENTOS 8. CONCLUISONES 9. RECOMENDACIONES 10. ANEXOS 11. BIBLIOGRAFIA

I. INTRODUCCIÓN Los arietes hidráulicos, son uno de los tipos de bomba de agua que funcionan aprovechando la energía hidráulica, sin requerir otra energía externa. Mediante este principio, se puede conseguir elevar parte del agua de un manantial, arroyo o acequia a una altura superior. La bomba de ariete hidráulico se ha utilizado durante más de dos siglos en muchas partes del mundo, la sencillez y fiabilidad hizo un éxito comercial, especialmente en Europa, en los días previos a la corriente eléctrica y al motor de combustión interna con una amplia disponibilidad. En las zonas montañosas y agrestes con presencia de manantiales o arroyos como en el caso de la comunidad de Chamis Bajo, la posibilidad de un dispositivo simple y confiable de bombeo es de gran aplicación, razón por la cual decidimos construir un prototipo de ariete hidráulico, teniendo en cuenta la geografía de la zona, para brindar

una alternativa para que puedan ser adaptadas en su medio a futuro. II. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL Describir los requerimientos físicos y técnicos que se necesitan para trasladar el agua desde el manantial La Shicuana, para la construcción de un prototipo de Ariete Hidráulico para la simulación de captación traslado y elevación de agua. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Identificar los requerimientos físicos para el diseño y construcción de un prototipo de ariete hidráulico para captar, trasladar y elevar el agua del manantial la shicuana.  Identificar los requerimientos técnicos para el diseño y construcción de un prototipo de ariete hidráulico para captar, trasladar y elevar el agua del manantial la shicuana.

III. HIPÓTESIS El prototipo de Ariete Hidráulico cumple con los requerimientos físicos y técnicos que se necesitan para trasladar el agua desde el manantial La Shicuana hacia un reservorio ubicado en la parte alta de la comunidad de Chamis bajo. IV. VARIABLES

A. INDEPENDIENTES  CAUDAL DE ALIMENACIÓN (Q)  PENDIENTE  ALTURA DE SUMINISTRO (h)

B. DEPENDIENTES  ALTURA DE ELEVACIÓN (H)  CAUDAL ELEVADO (q)  RENDIMIENTO(R)

Figura 1. Variables Independientes y dependientes

V. JUSTIFICACIÓN Este proyecto se realiza porque representa una solución para una adecuada captación, traslado y elevación de agua del manantial La Shicuana hacia un reservorio, mediante el uso de una bomba de Ariete Hidráulico, el cual resulta económico y viable, beneficiando a una gran parte de la población de Chamis Bajo, ya que actualmente el traslado del agua es ineficiente. VI. MARCO TEORICO A. ANTECEDENTES Durante los 2 siglos pasados los arietes se utilizaron ampliamente, y se han instalado mundialmente para proyectos de irrigación, aldeas, huertos, residencias y palacios, como en el caso de Las bombas de ariete instaladas en la famosa fuente frente al Palacio de TAJ MAHAL, en India que suministra 2,727 m3/día. El principio de funcionamiento fue documentado en 1775, resultado de una reparación realizada por un fontanero en Bristol, Inglaterra, que aprovecho ingeniosamente elevar el agua, casi sin ningún costo, del sótano a las plantas superiores; otro inglés interpuso un vaso de aire, entre el grifo y la cañería, para elevar agua a una fábrica de cerveza, pero la vibración y el ruido, impedían el uso de esta máquina, que además era manual.

La primera bomba de ariete autoactivante fue inventada por Joseph Montgolfier, uno de los dos famosos hermanos franceses que también inventaron el globo de aire caliente; le dio el nombre de "coup de belier" (golpe de carnero). El 02 de octubre de 1820 la patente de la bomba fue asignada a Josiah Easton de Heal de Inglaterra, quien la volvió a diseñar y comenzó su fabricación comercial. Una de sus bombas originales permaneció en uso desde 1840 hasta 1936 (96 años), fecha que fue adquirida por el Museo de Ciencias de South Kensington de Londres. En 1860 el ingeniero John Blake, registró el nombre de "hydram", y comenzó su fabricación en el condado de Lancashire en Inglaterra tratando de mejorar su diseño. En Chile se hizo un modelo por computadora, pero la eficiencia es muy baja (7%). En el Perú mediante el sistema de hacer un modelo y trabajar con datos eales, y resolver como si fuera un problema de flujo en tuberías de Fe. y P.V.C, se están diseñando y fabricando nuevos modelos mas eficientes (60%), para bajar costos y ponerlos al alcance del agricultor. B. BASES TEÓRICAS 1. GOLPE DE ARIETE La Física reconoce el fenómeno denominado golpe de ariete o choque hidráulico, que ocurre cuando varía bruscamente la presión de un fluido dentro de una tubería, motivado por el cierre o abertura de una llave, grifo o válvula; también puede producirse por la puesta en marcha o detención de un motor o bomba hidráulica. Durante la fluctuación brusca de la presión el líquido fluye a lo largo de la tubería a una velocidad definida como de propagación de la onda de choque. El cambio de presión provoca deformaciones elásticas en el líquido y en las paredes de la tubería. Este fenómeno se considera indeseable porque causa frecuentes roturas en las redes hidráulicas de las ciudades y en las instalaciones intradomiciliarias, y también es causante de los sonidos característicos que escuchamos en las tuberías cuando abrimos un grifo bruscamente en nuestras casas. Por tal razón, con frecuencia se diseñan válvulas de efecto retardado o se instalan dispositivos de seguridad. El científico ruso N. Zhukovski (1847-1921) estudió este fenómeno por primera vez en su obra Sobre el choque hidráulico, como parte de sus indagación es hidro – aero -mecánicas, que constituyeron la base teórica para la ulterior comprensión del funcionamiento de la bomba de golpe de ariete o ariete hidráulico, lo que demuestra que los fenómenos físicos (y los naturales en general) no deben asumirse como negativos o positivos, sino como leyes que debemos incorporar a nuestro arsenal cognitivo hacia una armónica actuación del hombre en la naturaleza y hacia la plenitud creadora del ser humano. El uso de tecnologías alternativas como es implementar los sistemas de ariete

hidráulico, cuya máquina de auto operación utiliza como fuente de energía, el agua y esta la bombea desde un nivel más bajo a una determinada altura, donde dicha agua adquiere una energía potencial que permite su uso para diversos fines tales como: irrigación de cultivos, etc. Los fontaneros conocen muy bien el golpe de ariete; cuando se cierra bruscamente un circuito abierto de agua, toda la tubería se estremece y los manómetros enloquecen, a menudo se producen roturas por esta causa.

2. BOMBA DE ARIETE HIDRÁULICO La bomba de ariete es una bomba hidráulica cíclica que utiliza la energía cinética de un golpe de ariete en un fluido para subir una parte de ese fluido a un nivel superior. No necesita por lo tanto aporte de otra energía exterior. Los elementos esenciales para el funcionamiento de la bomba de ariete hidráulico son:  La presa: un rio o cualquier otro medio que permita crear un desnivel en relación con el ariete.  El tubo de impulso: según las reglas convencionales debe tener un largo entre 100 y 500 veces el diámetro del tubo, y un mínimo de 2 hasta 7 veces la altura de la presa, según el tipo de ariete.  La válvula de impulso con su cámara: según las mínimas reglas, debe tener como mínimo el doble del diámetro del tubo de impulso.  La válvula de retención: la cual generalmente es la mitad del diámetro de la válvula anterior, depende en primer lugar del caudal de bombeo y la frecuencia de los golpes.  Cámara de aire: se encuentra encima de la válvula de retención, esta debe tener un mínimo de 10 veces el volumen del agua que entra por golpe.  Tubo de bombeo: generalmente de la mitad del diámetro del tubo de impulso, aunque es mas lógico determinarlo según el caudal de bombeo, el largo del tubo y la potencia disponible. El principio de funcionamiento, se especifica a continuación: El agua, procedente de una corriente o depósito suministrador A se acelera por un tubo de carga inclinado B con lo que su energía potencial se convierte en energía cinética. Cuando la velocidad llega a un valor determinado, la válvula de descarga C súbitamente cierra cortando el flujo lo cual genera una sobrepresión en el extremo inferior del tubo

de carga, un golpe de ariete, que fuerza el agua a abrir la válvula anti- retorno D y a subir por el tubo de descarga F hacia una nivel superior del deposito G. la válvula de descarga C se vuelva abrir debido a la bajada de presión del flujo de agua y el ciclo comienza de nuevo, cerrándose cada vez que el flujo adquiere cierto valor. En E se coloca una campana o calderín lleno de un gas a presión, normalmente aire, que amortigua los golpes de ariete y mantiene un flujo mas constante de fluido por el tubo F. este gas se acaba disolviendo en el agua por lo que es necesario reponerlo o envolverlo en un globo de goma para evitar que se disuelva. Algunas bombas van provistas de un sistema que inyecta una burbuja de aire con cada ciclo. Este sistema consiste en que se diseña el mecanismo para que al cerrar la válvula D permite que e invierta momentáneamente el flujo del agua por lo que al cerrar súbitamente la válvula se produce un depresión que fuerza la entrada de una poco de aire por la válvula K.

Figura 2. Principio de Funcionamiento de la Bomba de Ariete Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_de_ariete

Los elementos que se señalan en el esquema anterior son las distintas partes de un ariete hidráulico. La válvula check de fondo C generalmente se coloca verticalmente hacia arriba para que se abra continuamente y permita salir agua con cada ciclo. La válvula check de paso D permite que el agua suba pero no baje. La cámara de aire amortigua la presión súbita, permitiendo de esta forma un flujo parejo. Cada uno de estos componentes son muy accesibles y pueden utilizarse los hechos de PVC. Así el funcionamiento de la bomba de ariete hidráulico se requiere contar con una caída de flujo inicial no menor de un metro que se denomina “altura de carga” H y un “caudal de alimentación” Q, como se muestra en la figura 3.

Figura 3: Altura de Carga y Caudal de Alimentación Fuente: http://www.intikallpa.org/2010/08/construyendo-una-bomba-de-ariete/

Cuadro 1. Caudal Necesario para accionar la Bomba de Ariete

Para el uso del ariete es necesario contar con una quebrada o un rio que sea permanente, el caudal necesario de entrada para accionar la bomba de ariete se muestra en este cuadro

Diámetro de cañería

Caudal mínimo (lts/min)

¾”

5

1”

15

1 1/4”

22

1 ½”

30

3”

90

Fuente: Guía Técnica Manejo y Aprovechamiento de Agua con Fines Agropecuarios, PASOLAC 2008

El rendimiento del ariete hidráulico varía en función del cociente de la Altura de Carga / Altura entre la bomba de ariete y la presa, H/h (ver figura 2). Al aumentar el valor resultante, el rendimiento disminuye R; en el cuadro 2 puede verse como varía el rendimiento energético. Cuadro 2: Variación del rendimiento energético del ariete en función del Cociente H/h H/h

2

3

4

6

8

10

12

R

0.85

0.81

0.76

0.67

0.57

0.43

0.23

Fuente: Guía Técnica Manejo y Aprovechamiento de Agua con Fines Agropecuarios, PASOLAC 2006

Sus principales características son:

 Maquina que aprovecha como única fuente de energía la caída o desnivel del agua para operar.  Cualquier lugar que tenga una caída de más de 1m. de desnivel.  Cuida el medio ambiente, es barata, limpia y no contamina ( no desprende calor: no necesita de electricidad, diesel o gasolina)  Es ecológica: respeta el caudal ecológico (no acapara toda el agua tomando solamente parte del fluido para operar; respetando el agua de las fuentes de recarga, plantas y animales).  Es barata, rustica y durable (las piezas se consiguen en cualquier ferretería; la Bomba puede durar mas de 10 años).  Es de fácil y rápida construcción, operación, traslado y mantenimiento.  Puede trabajar día y noche ininterrumpidamente.  No tiene costos de operación. 1) Bomba de ariete de PVC De acuerdo al diseño se pueden construir bombas de ariete hidráulico en PVC de diferentes tamaños como 1” y 2”, esto dependerá del caudal de llegada y por lo tanto la altura final de llegada del agua. Su construcción conllevas menos elementos metálicos, incorporando piezas fabricadas de PVC (uniones, codos, adaptadores, reductores, tubos). En la figura siguiente, se observa un modelo de bomba de ariete PVC de 2”.

Figura 4: Bomba de Ariete de PVC de 2” y materiales utilizados para su construcción

En su ensamblaje, a todas las partes de PVC, se les coloca goma de PVC; a las uniones de material de hierro y PVC, se les coloca teflón para evitar fugar; en todas las uniones con partes de rosca son ajustadas con llave. 2) Bomba de ariete metálica Se trata de arietes con muchas de sus piezas fabricadas de hierro fundido; son modelos pequeños, destinados a superar necesidades de agua domiciliar e inmediata; con vida útil muy larga y presentan dificultades de mantenimiento. Una segunda generación de arietes, dispone de piezas soldadas y una mayor diversidad de diseños para distintas condiciones de operación (pequeños, grandes, medianos). Los modelos más comunes son: a) Ariete monopulsor, con válvula de trabajo de resorte y doble tanque hidroneumático, con entrada de seis y salida de dos pulgadas. b) Ariete monopulsor, modelos danés, con válvula de trabajo en 45º. Con dos pulgadas de entrada y ¾ de salida. c) Ariete multipulsor, modelo cubano conocidos como los CITA, los cuales operan con dos o tres válvulas de trabajo y logran altas cargas. 3) Comparación con otros sistemas Por el bajo costo de construcción, costo de operación cero y cero contaminación, se considera que la bomba de ariete de PVC puede ser utilizado en casi toda actividad donde el caudal inicial de agua no sea un problema o pueda ser reciclado. Esta tecnología es una alternativa de solución con muchísimas ventajas con respecto al uso de sistemas y equipos de bombeo mas conocidos (motobombas, bombas metálicas de ariete, electro bombas, etc.), por lo tanto es considerada una tecnología adecuada para usos y necesidades actuales como riego, agua potable y otros. Un ariete hidráulico solo puede elevar parte del agua que recibe, pero aun así es un dispositivo muy útil considerando que se puede utilizar para aprovechar arroyos o ríos con suficiente pendiente. Cuadro 3: Ventajas y Desventajas de la Bomba de Ariete VENTAJAS 1. no requiere electricidad, combustible ni trabajo humano para su funcionamiento. 2. Todo el equipo es de bajo costo y sus piezas son de fácil recambio, materiales de reparación de fácil acceso. 3. Requiere un mínimo de manutención. 4. Funciona automáticamente ante un suministro de agua.

DESVENTAJAS 1. Poco acceso a la tecnología (no hay asistencia técnica). 2. La altura a la que se desea bombear depende de la caída de agua. 3. Bombea por pulsación. 4. Bombea poco caudal. 5. Rendimientos bajos en relación a las electrobombas y motobombas.

5. Puede usarse todo el año en los cuerpos de agua disponibles.

Cuadro 4: Comparación entre tecnologías Bomba Ariete PVC

Bomba Ariete Metálica

Bomba de Combustión 2”

1. Acceso a insumos y materiales externos Todos los materiales se Necesita de un artesano metal requiere de una buena encuentran en cualquier mecánico, para su disponibilidad de dinero para ferretería. construcción. su compra y acceso a suministro de combustible

2. Necesidad de mano de obra La demanda de mano de obra es baja, ya que para instalar la bomba en el rio o arroyo, se necesitan alrededor de 2 personas y el mantenimiento es relativamente mínimo, solo se limita a mantener el flujo de agua y aire.

La demanda de mano de obra es baja, ya que una vez instalada la bomba en la fuente, el mantenimiento se refiere a mantener libre de obstrucciones y de arena la entrada de agua, además de realizar cada 6 meses recambio de la goma de la válvula de impulso (empaque de hule)

La demanda de mano de obra es baja, ya que para instalar la bomba en el rio o arroyo, se necesitan alrededor de 2 personas y el mantenimiento se refiere a mantener libre de obstrucciones la entrada de agua. Su mantenimiento requiere de conocimiento y adiestramiento.

3. Nivel de conocimiento necesario

Es una tecnología que no Requiere conocimiento Es una tecnología que requiere conocimiento especializado para su requiere conocimiento especializado para la mantenimiento y su especializado para la

fabricación.

reparación.

fabricación.

Para la implementación de esta tecnología se requiere que el productor tenga capacidad económica para inversión inicial.

Para la implementación de esta tecnología se requiere que el productor tenga capacidad económica para invertir en activos, funcionamiento y mantenimiento.

4. Tenencia de la tierra Para la implementación de esta tecnología se requiere que el productor tenga una mínima capacidad económica para invertir.

5. Porcentaje de pendiente

Un metro de tubo de Un metro de tubo de entrada La altura máximo parra llevar entrada es capaz de es capaz de levantar diez el agua es de 30 m. levantar diez veces un veces una columna de agua. columna de agua 6. Costo actual de la tecnología

El costo de construcción El costo oscila entre 300 a de la bomba ariete de PVC 600 dólares según el tamaño de 2” es de US$120.00 y capacidad para elevar el agua.

El valor de una bomba de combustión de 2” comprada en una casa comercial es de US$ 600.00

Destacan dos impactos diferenciados: Económico: la bomba de ariete permite mejorar la disponibilidad de agua para los cultivos establecidos en la época lluviosa (en caso de una canícula) o en verano, y debido a la infiltración posterior en la parcela facilita terminar un ciclo productivo al principio de la época seca durante una canícula. Social: genera beneficios para las familias campesinas, pues permite llevar el agua hasta varios lugares de la parcela con el menor esfuerzo, dando la oportunidad para utilizarla para otros fines: consumo humano y el abrevado del ganado.

VII. IDENTIFICACIÓN DE LA ZONA

VIII. TECNICAS, PROCEDIMIENTOS E INSTRUMENTOS 7.1. PROCESO DE CONSTRUCCION 7.1.1. INSUMOS

CANTIDAD

DESCRIPCIÓN

1

Válvula check de paso de 1” (anti-retorno)

1

Válvula check de fondo de 1”

1

Reducción tipo campana de 1 a ¾”

5

Niple de PVC de 1x1”

1

Niple de PVC de 1x2”

2

Niple de PVC de 1/2x1”

2

Tee de PVC de 1”

CANTIDAD

DESCRIPCIÓN

1

Bushin de 1” a ½”

PERFIL

PERFIL

1

Codo de PVC de 1”

1

Válvula de paso de PVC de 1”

1

Válvula de paso de PVC de 1/2”

1

Tubo de PVC de 1”

4

Cinta teflón

1

Baldón de 60 L

2

Manguera

1

Estructura de soporte

7.1.2. COSTE DE INSUMOS CANTIDAD

DESCRIPCIÓN

PRECIO (nuevos soles)

1

Válvula check de paso de 1” (anti-retorno)

55.00

1

Válvula check de fondo de 1”

29.60

1

Reducción tipo campana de 1 a ¾”

4.50

5

Niple de PVC de 1x1”

10.00

1

Niple de PVC de 1x2”

3.00

2

Niple de PVC de 1/2x1”

2.00

2

Tee de PVC de 1”

7.00

1

Bushin de 1” a ½”

4.00

1

Codo de PVC de 1”

3.50

1

Válvula de paso de PVC de 1”

12.00

1

Válvula de paso de PVC de 1/2”

8.00

1

Tubo de PVC de 1”

14.50

4

Cinta teflón

4.00

1

Baldón de 60 L

35.00

1

Manguera de ½” de 10 m

15.00

1

Manguera de 3/8” de 10m

25.00

1

Estructura de soporte

90.00

7.1.3. EMSAMBLAJE

7.2.4. INSTALACIÓN Y FUNCIONAMIENTO 7.2. RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN TIEMPOS PARA DETERMINAR EL CAUDAL (EN SEGUNDOS) FASES

1

2

3

4

5

6

TUBERÍA 1

TUBERÍA 2

TUBERÍA 3

2.67

3.46

5.52

2.75

3.27

5.48

2.78

3.59

5.08

3.19

3.24

5.41

3.19

3.43

5.53

3.15

3.77

5.58

2.97

3.63

5.38

2.84

3.20

5.63

2.90

3.47

5.38

3.10

3.15

5.70

3.20

3.30

5.53

2.95

3.15

5.54

3.54

3.25

6.00

3.44

3.47

6.13

3.31

3.31

6.03

2.64

3.37

6.19

2.58

3.34

6.03

2.63

3.53

6.97

TIEMPOS PROMEDIADOS(EN SEGUNDOS) FASES

TUBERÍA 1

TUBERÍA 2

TUBERÍA 3

1

2.73

3.44

5.36

2

3.18

3.48

5.51

3

2.90

3.43

5.46

4

3.10

3.20

5.59

5

3.43

3.34

6.10

6

2.63

3.41

6.10

MEDIO

2.99

3.38

5.35

PROMEDIO FINAL

3.91

NOTA: Los tiempos tomados en la tubería 1 y 3 fueron tomados en un balde de 2L, el tiempo de la tubería 2 fue tomado en un balde de 4L. Si promediamos los litros obtendríamos un valor de 2.67L. Luego para obtener el caudal dividimos el promedio de litros entre el promedio final de los tiempos.

7.3. ANALISIS Y PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN En nuestro proyecto utilizaremos un cilindro de 0.40m de diámetro y 0.48 de profundidad, este descansara en una plataforma de 1.50m de altura. Para realizar algunos cálculos se procederá hacer un hoyo en un costado del cilindro a 5 cm del fondo de este, que servirá para ubicar la tubería de 1 pulgada. Luego en el cilindro

se introducirá agua hasta una altura de 0.35m, y se obtendrá una altura de 0.30m de la tubería hacia el nivel del agua, con estos datos obtendremos el caudal de salida hacia la tubería.

 Teorema de Torricelli.

 Ecuación de Continuidad. Como no existe aumento ni pérdida de masa se tiene:

El mismo fluido es homogéneo:

,

Donde el producto: Q: se le llama gasto, caudal, flujo de volumen o rapidez de flujo.

La presión en 1 como en 2 es la atmosférica, y V1 = 0, puesto que la relación entre área del tanque y del orificio permite despreciarlo a través de esta ecuación. Note que:

Entonces la velocidad en 2 será 251.4 veces mayor que la velocidad en 1. Luego para calcular el caudal usaremos la ecuación:

Dónde: D=diámetro de tubería (m) Q= caudal

 Caudal elevado (q)

R: rendimiento Q: caudal h: desnivel de trabajo H: altura de elevación o Para H=2

o Para H=4

o Para H= 5

o Para H=18

IX. CONCLUSIONES X. RECOMENDACIONES

XI.

ANEXOS

XII.

BIBLIOGRAFIA